JPH04332477A - 燃料電池用燃料改質器の触媒層温度制御方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、炭化水素系の原燃料を
水蒸気とともに改質触媒の触媒層を内蔵する改質管に通
流し、燃料電池からのオフガスの燃焼熱により改質管を
加熱して原燃料を水素に富むガスに改質して燃料電池に
供給する燃料電池用燃料改質器の触媒層温度制御方法及
びその制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池発電装置は燃料改質器と燃料電
池とが主要機器として組み合わされて構成される。燃料
改質器は改質触媒が充填されてなる触媒層を内蔵する改
質管を燃料電池からのオフガスを燃焼空気によりバーナ
にて燃焼して生じる熱媒体により加熱して改質管を通流
する改質原料である原燃料を水蒸気改質して水素に富む
改質ガスを生成する。この改質ガスは燃料電池の燃料電
極に供給される。

【０００３】燃料電池は上記改質ガスと別に酸化剤電極
に供給される空気とにより電池反応を起こして発電し、
負荷に電力を供給する。なお燃料電極から電池反応に寄
与しない水素を含むオフガスは燃料として燃料改質器の
バーナに供給される。

【０００４】ところで、改質原料の原燃料として炭化水
素系のメタンを主成分とする天然ガス又はナフサ等を使
用する燃料改質器が知られている。この燃料改質器の改
質管において一般に、炭化水素系のメタンの水蒸気改質
反応は、Ｎｉ系の触媒を用いて、約７００〜９００℃で
行われる。その反応式は、■〜■式のようである。 ＣＨ４　＋Ｈ２　Ｏ　　→　　ＣＯ＋３Ｈ２　　　　　
　　　　　　■ＣＯ　　＋Ｈ２　Ｏ　　→　　ＣＯ２　
＋Ｈ２　　　　　　　　　　　■■■式をトータルした
下記の反応式 ＣＨ４　＋２Ｈ２　Ｏ　　→　　ＣＯ２　＋４Ｈ２　　
　　　　　　　■■は吸熱反応であり、■は発熱反応で
ある。したがって、触媒層の温度が上昇するにしたがっ
てメタンの分解反応■が右に進み、ＣＯの変成反応は左
へ進む。これらの素反応のスピードは実用上の約７００
〜９００℃という温度では充分に速い。このため、反応
量を左右するのは、熱エネルギーの供給量である。この
熱エネルギーにより、反応が起き、触媒層の温度も保た
れる。ここで使用した触媒は、逆反応の触媒とも成りう
るので、触媒層の温度が下がるということは、■，■式
が左方向に進んでいるといえる。

【０００５】実際には、供給されたメタンをできるだけ
水素に変換したほうが、燃料電池本体のために好影響を
与えるため、入口から徐々に温度を上昇させていき、触
媒層出口が最も高い温度に保つ必要がある。このため、
触媒層の温度制御は出口部の温度により制御することが
従来より行われてきた。

【０００６】しかしながら、燃料電池の負荷が変動して
負荷が減少した場合には、燃料電池での電池反応に使用
される水素量が減少し、このためオフガスに含まれる水
素量が増加する。一方燃料改質器に供給する原燃料は負
荷の減少により減少し、このため改質に必要な触媒層の
熱量も減少する。

【０００７】したがって負荷が急激に減少した場合、触
媒層の必要熱量が減少しているうえに、一時的に水素量
の増加したオフガスがバーナで燃焼される。この結果、
触媒層の温度がかなりオーバシュートし、このため改質
管の金属材料が高温となってその寿命を短かくし、最悪
の場合には改質管のメルトダウンを引き起こすことにな
るので、負荷減少のスピードが制限されるという欠点が
あった。

【０００８】この欠点を解決するため従来改質管の炉側
表面温度をとらえて、■燃焼空気量を増加させる■燃料
電池からのオフガスを改質器バーナ以外で燃焼させるか
、そのまま排気する等により制御されてきた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記のように触媒層の
温度制御のために改質管の炉側表面温度を制御する際、
負荷の急激な減少時燃焼空気量を増加させることやオフ
ガスを燃料改質器バーナ以外で燃焼させることはバーナ
での燃焼性が悪くなり、未燃分が多量に発生するという
欠点がある。

【００１０】また燃焼空気を増加させるだけでは、かな
り大幅な水準の変更によっても、結果としての改質管の
表面温度への影響が小さいという欠点がある。

【００１１】さらに燃焼空気の増加は、通常ブロワの回
転数を増加することにより行なわれるが、この場合補機
動力が大きくなるという欠点がある。

【００１２】またオフガスを燃料改質器バーナ以外で燃
焼させることは別の燃焼装置が必要になるという欠点が
ある。

【００１３】またオフガスを燃焼させずにそのまま外部
に排気する場合には安全性の問題がある。

【００１４】本発明の目的は、燃料電池の急激な負荷減
少時においても良好な燃焼性を保ちながら触媒層の温度
制御のための改質管の表面温度制御における改質管の表
面温度が著しくオーバーシュートしないように改質管の
表面温度を制御する燃料電池用燃料改質器の触媒層温度
制御方法及びその制御装置を提供することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明によれば改質触媒が充填されてなる触媒層を
内蔵する改質管と、燃料電池からオフガス供給系を経て
供給されるオフガスを燃焼するバーナとを備え、バーナ
での燃焼による熱媒体により改質管を加熱し、原燃料供
給系を経て改質管を通流する燃料電池の負荷量に応じた
量の炭化水素系の原燃料を水素に富むガスに改質する燃
料改質器の改質管内の触媒層の温度を制御する燃料電池
用燃料改質器の触媒層温度制御方法において、燃料電池
の負荷減少時、負荷減少を検出してオフガス供給系を流
れるオフガスの一部を負荷減少量に応じた時間原燃料供
給系を流れる原燃料に混入するものとする。

【００１６】また、上記の燃料電池用燃料改質器の触媒
層温度を制御する触媒層温度制御装置において、オフガ
ス供給系を流れるオフガスを弁の開により原燃料供給系
を流れる原燃料に混入するオフガス混入系と、燃料電池
の負荷量を検出する負荷検出器と、負荷減少時この検出
器からの検出負荷により負荷減少量を演算し、この負荷
減少量に応じた時間前記弁を開に保持する制御部とを設
けるものとする。

【００１７】上記の制御部は、負荷検出器からの検出負
荷により負荷減少速度を演算する負荷減少速度演算器と
、この演算器からの負荷減少速度が所定値を超えたとき
一定の出力信号を出力する比較器と、この比較器から入
力される出力信号により規定される負荷減少開始から終
了するまでの負荷減少量を演算する負荷減少量演算器と
、この演算器からの負荷減少量に応じたオフガス混入系
の弁の開時間を演算する開時間演算器と、前記比較器か
らの出力信号により前記弁を開にし、開時間演算器から
の開時間信号により開時間後弁を閉にするオン・オフ回
路とを備えるものとする。

【００１８】

【作用】燃料電池の負荷減少時、特に急激な負荷減少時
燃料電池から排出されるオフガスの一部を、原燃料供給
系を流れる炭化水素系の原燃料に負荷検出器で検出した
負荷により求められた負荷減少量に応じた時間オフガス
混入系に設けた弁を開にして混入し、このオフガスを燃
料改質器の反応管と燃料電池との間を循環させることに
より、バーナに供給されるオフガス量は減少し、このた
めバーナでのオフガスの燃焼量は低下する。この結果反
応管を過熱することがないので、反応管の表面温度は著
しいオーバシュートすることなく水蒸気改質反応に適切
な目標温度に制御される。

【００１９】上記のように負荷急減時オフガスの一部を
原燃料供給系を流れる原燃料に混入して改質管の表面温
度を著しいオーバーシュートなく目標温度に制御する手
段は下記のようにして行なわれる。

【００２０】すなわち、燃料電池の負荷減少時、負荷検
出器で検出した検出負荷を負荷減少速度演算器で微分演
算して負荷減少速度を演算する。この演算器からの出力
信号は比較器に入力され、比較器にて予め定められた負
荷減少速度の所定値を超えた場合に一定の出力信号を出
力する。この出力信号はオン・オフ回路に入力され、オ
フガス混入系に設けられた弁を開にする。

【００２１】さらに比較器からの出力信号は負荷減少量
演算器に入力され、この演算器にて出力信号により規定
される負荷減少量、すなわち出力信号が入力されてオフ
ガス混入系の弁が開になってから負荷の減少が終了する
際の負荷減少速度の所定値、すなわち比較器からの出力
信号が０になるまでの負荷減少量を演算する。

【００２２】この負荷減少量演算器からの演算値を開時
間演算器に入力し、開時間演算器にて負荷減少量が大き
い程弁の開時間が長い比例関係によりオフガス混入系の
弁の開時間を演算する。

【００２３】オフガス混入系の弁はオン・オフ回路に入
力される比較器からの出力信号により開になり、開時間
演算器からの開時間信号が入力されて開時間弁を開に保
持した後閉にする。

【００２４】このようにして負荷急減時、負荷減少量に
応じた時間燃料電池から燃料改質器のバーナに供給され
るオフガスの一部を原燃料に混入して反応管と燃料電池
との間を循環させる。この循環によりバーナでの燃焼量
を低減して改質管の表面温度の著しいオーバシュートを
防ぐ。

【００２５】

【実施例】以下図面に基づいて本発明の実施例について
説明する。図１は本発明の実施例による触媒層温度制御
装置を備えた燃料改質器と燃料電池とからなる燃料電池
発電装置の系統図である。図１において燃料改質器１は
、炉容器２内に直立した仕切円筒３を挟んで囲む内管４
と外管５とからなり、改質触媒が充填されてなる触媒層
を内蔵する環状の改質管７と、改質管７の内側の炉容器
２上部にバーナ８とを備えている。なお１０は改質管７
の改質ガスの出口部に設けられ触媒層温度制御のために
改質管７の表面温度を検出する温度検出点である。

【００２６】原燃料供給系１１はメタンを主成分とする
天然ガスの原燃料を燃料改質器１の改質管７に導く系統
であり、原燃料流量制御弁１２，熱交換器１３，脱硫器
１４及びエジェクタ１５とを備えている。

【００２７】水蒸気供給系１７は原燃料に混入する水蒸
気をエジェクタ１５に導く系統であり、水蒸気流量制御
弁１８を備えている。

【００２８】なお、原燃料，水蒸気流量制御弁１２，１
８は後述する燃料電池２０の負荷量に応じてそれぞれ制
御され、負荷量に応じた原燃料量と水蒸気量を改質管７
に供給する。

【００２９】燃焼空気供給系１９はバーナ８に燃焼用の
燃焼空気を図示しないブロワによりバーナ８に導く系統
である。

【００３０】燃料電池２０は電解質室２１と、これを挟
んで配設される燃料電極２２と酸化剤電極２３と、燃料
電極２２に燃料としての改質ガスが供給される燃料室２
４及び酸化剤電極２３に空気が供給される空気室２５と
、電池反応により生じる熱を除去する冷却室２６とから
構成されている。

【００３１】改質ガス供給系２８は燃料改質器１の改質
管７から送出される改質ガスを燃料電池２０の燃料室２
４に導く系統であり、熱交換器２９及びＣＯ変成器３０
を備えている。なお改質ガス供給系２８から分岐して脱
硫器１４にて原燃料に含まれる有機硫黄分を除くため水
添反応を行なわせるために改質ガスの一部を脱硫器１４
に導く水素リサイクル系３１が設けられている。

【００３２】オフガス供給系３２は燃料電池２０におけ
る電池反応に寄与しない水素を含むオフガスを燃料室２
４から燃料改質器１のバーナ８に導く系統であり、熱交
換器３３を備えている。

【００３３】空気供給系３５は燃料電池２０の空気室２
５に空気を供給する系統であり、また空気排出系３６は
電池反応した後の空気を熱回収系に導く系統である。

【００３４】冷却水供給系統３７は燃料電池２０の電池
反応による発電時生じる熱を除去して運転温度に保持す
るための冷却水を冷却室２６に導く系統であり、また冷
却水排出系３８は冷却室２６から排出される昇温した冷
却水を水蒸気系に導く系統である。

【００３５】電力が供給される負荷４０は燃料電池２０
の燃料電極２２と酸化剤電極２３とに接続され、供給さ
れる電力を検出する負荷検出器としての負荷電流検出器
４１が設けられている。

【００３６】オフガス混入系４２は本発明に係る系統で
あり、オフガス供給系３２の熱交換器３３の下流から分
岐して原燃料供給系１１の脱硫器１４の上流に接続され
、電磁弁４３を備えている。電磁弁４３は、負荷４０の
負荷減少時、特に負荷急減時の負荷減少量に応じた時間
、すなわち負荷減少量が大きい程長い時間開に保持する
ように制御する制御部４４によりその開閉が制御される
。

【００３７】このような構成により原燃料供給系１１を
経て供給される原燃料は熱交換器１３を経、脱硫器１４
にて水素リサイクル系３１を経て供給される改質ガス中
の水素が添加されて脱硫され、エジェクタ１５に導かれ
る。一方、水蒸気供給系１７を経て供給される水蒸気は
エジェクタ１５に導かれ、エジェクタ１５の作用により
エジェクタ出口から原燃料と水蒸気とは混合されて燃料
改質器１の改質管７に送出される。なお、原燃料量及び
水蒸気量は、負荷電流検出器４１で検出した負荷として
の負荷電流に応じて図示しない制御手段により制御され
る原燃料流量制御弁１２，水蒸気流量制御弁１８により
制御される。

【００３８】改質管７を通流する水蒸気を含む原燃料は
、燃料電池２０からオフガス供給系３２を経てバーナ８
に供給されるオフガスが燃焼空気供給系１９を経てバー
ナ８に供給される燃焼空気により燃焼して生じる熱媒体
により加熱されて水素に富むガスに水蒸気改質される。

【００３９】ここで水蒸気改質反応が行なわれる改質管
７内の触媒層温度は改質管７の改質ガス出口部に設けら
れた温度検出点１０の温度により図示しない制御手段に
より燃焼空気量を制御して目標温度に制御される。

【００４０】改質管７から送出される水蒸気改質された
ガスは、燃料電池２０の電極触媒を被毒させるＣＯを多
量に含んでいるので、ＣＯ変成器３０にてＣＯ量を低減
して燃料電池２０の燃料室２４に供給される。

【００４１】燃料電池２０は燃料室２４に供給される前
記ＣＯ量の少ない改質ガスと空気供給系３５を経て供給
される空気とにより電池反応を起こして発電し、電力は
負荷４０に供給される。

【００４２】この際電池反応に寄与しない水素を含むオ
フガスは燃料室２４からオフガス供給系３２を経てバー
ナ８に供給され、前述のように燃焼される。一方、空気
室２５から排出される空気は空気排出系３６を経て熱回
収系に送出される。

【００４３】ところで負荷が減少、特に急減したとき、
負荷電流検出器４１にて検出した負荷電流の信号を制御
部４４に入力し、制御部４４により負荷減少量の大きさ
に応じた時間だけ電磁弁４３を開にしてバーナ８に供給
すべきオフガスの一部をオフガス混入系４２を経て原燃
料供給系１１を流れる原燃料に混入する。このため、バ
ーナでのオフガスの燃焼量は低減するので、改質管７の
表面温度は目標温度より著しくオーバシュートしない。

【００４４】なお、原燃料に混入されたオフガスは原燃
料供給系１１，改質管７，改質ガス供給系２８，燃料室
２４，オフガス供給系３２及びオフガス混入系４２を循
環して流れる。

【００４５】図３は負荷急減時の反応管の表面温度を本
発明と従来技術とにより制御したときの温度応答を示す
温度経過図である。図３において燃料電池の負荷を７５
％から２５％に急減した場合、従来技術では目標温度に
制御されるまでに改質管の表面温度が著しくオーバシュ
ートして一時的に高温になるが、本発明によるものでは
著しいオーバシュートがなく目標温度に制御されること
が理解される。

【００４６】つぎに、電磁弁４３を負荷減少時、制御部
４４により負荷減少量に応じた時間開にする制御手段に
ついて説明する。図２は制御部４４を備えた電磁弁４３
の開閉制御を行なうときのブロック図である。図におい
て負荷減少速度演算器５０は負荷電流検出器４１で検出
された負荷としての負荷電流の減少速度、すなわち負荷
電流の微分値を演算する。

【００４７】比較器５１は負荷減少速度演算器５０から
の負荷減少速度が所定値を超えたとき一定の出力信号を
出力する。

【００４８】負荷減少量演算器５２は比較器５１からの
出力信号が入力されてから負荷の減少が終了する際の負
荷減少速度の所定値になるまで、すなわち出力信号が０
になるまでの負荷減少量を負荷電流検出器４１からの負
荷電流信号により演算する。

【００４９】開時間演算器５３は負荷減少量演算器５２
からの負荷減少量に応じて減少量が大きくなる程開時間
が長くなる比例関係に基づいて電磁弁４３の開時間を演
算する。

【００５０】オン・オフ回路５４は比較器５１からの出
力信号により電磁弁４３を開にし、開時間演算器５３か
らの開時間信号が入力され、この開時間の間弁を開に保
持した後閉にする。

【００５１】このような制御部４４の構成により、燃料
電池の運転時負荷量は負荷電流検出器４１により負荷電
流として検出される。そして負荷減少速度演算器５０に
て負荷減少速度が演算されて比較器５１に入力される。

【００５２】ここで、負荷が急減した場合、負荷減少速
度が増大し、予め定められた所定値を超えれば比較器５
１から一定の出力信号を出力し、この出力信号はオン・
オフ回路５４に入力されて電磁弁４３を開にする。

【００５３】この際、負荷減少量演算器５２は比較器５
１からの出力信号から演算を開始し、負荷電流検出器４
１から負荷電流の大きさを演算する。この際、この演算
は負荷の減少が終了する際の負荷減少速度の所定値まで
、すなわち比較器５１からの出力信号が０になるまで続
けられて負荷減少量が演算される。

【００５４】負荷減少量演算器５２からの負荷減少量の
信号は開時間演算器５３に入力され、負荷減少量に応じ
た電磁弁４３の開時間が演算される。この開時間信号は
オン・オフ回路５４に入力され、開時間電磁弁４３を開
に保持した後閉にする。

【００５５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば負荷の急減時、燃料電池からバーナに供給する
オフガスの一部を負荷減少量に応じて決められた時間弁
を開にして燃料改質器の改質管に供給する炭化水素系の
原燃料に混入するように制御し、この混入されたオフガ
スを反応管と燃料電池との間を循環させることにより、
負荷の急減時バーナに供給されるオフガス量は一時的に
低減し、オフガスの燃焼量が低下するので、触媒層温度
、すなわち改質管の改質ガス出口部の表面温度は著しい
オーバシュートせずに改質反応の目標温度に制御され、
したがって改質管は高温にならないのでその寿命が長く
なり、また従来のように燃焼空気量を著しく増加させる
必要がないので、バーナでの燃焼性が安定するとともに
ブロワの補機動力も増大しないという効果がある。 なお、オフガスは従来のように燃料改質器外で燃焼させ
ないので、別の燃焼装置を必要とせず、また外部にその
まま排気しないので、安全性が保たれるという効果もあ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による触媒層温度装置を備えた
燃料改質器と燃料電池とからなる燃料電池発電装置の系
統図

【図２】図１の燃料改質器に供給される原燃料に燃料電
池のオフガスを混入するときの弁開閉制御を示す制御ブ
ロック図

【図３】燃料電池の負荷急減時の改質管の表面温度の温
度経過を本発明によるものと従来技術によるものとにつ
いて示した温度経過図

【符号の説明】

１　　　　燃料改質器 ７　　　　改質管 ８　　　　バーナ １１　　　　原燃料供給系 ２０　　　　燃料電池 ３２　　　　オフガス供給系 ４１　　　　負荷電流検出器 ４２　　　　オフガス混入系 ４３　　　　電磁弁 ４４　　　　制御部 ５０　　　　負荷減少速度演算器 ５１　　　　比較器 ５２　　　　負荷減少量演算器 ５３　　　　開時間演算器 ５４　　　　オン・オフ回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】改質触媒が充填されてなる触媒層を内蔵す
   る改質管と、燃料電池からオフガス供給系を経て供給さ
   れるオフガスを燃焼するバーナとを備え、バーナでの燃
   焼による熱媒体により改質管を加熱し、原燃料供給系を
   経て改質管を通流する燃料電池の負荷量に応じた量の炭
   化水素系の原燃料を水素に富むガスに改質する燃料改質
   器の改質管内の触媒層の温度を制御する燃料電池用燃料
   改質器の触媒層温度制御方法において、燃料電池の負荷
   減少時、負荷減少を検出してオフガス供給系を流れるオ
   フガスの一部を負荷減少量に応じた時間原燃料供給系を
   流れる原燃料に混入することを特徴とする燃料電池用燃
   料改質器の触媒層温度制御方法。
2. 【請求項２】改質触媒が充填されてなる触媒層を内蔵す
   る改質管と、燃料電池からオフガス供給系を経て供給さ
   れるオフガスを燃焼するバーナとを備え、バーナでの燃
   焼による熱媒体により改質管を加熱し、原燃料供給系を
   経て改質管を通流する燃料電池の負荷量に応じた量の炭
   化水素系の原燃料を水素に富むガスに改質する燃料改質
   器の改質管内の触媒層の温度を制御する燃料電池用燃料
   改質器の触媒層温度制御装置において、オフガス供給系
   を流れるオフガスを弁の開により原燃料供給系を流れる
   原燃料に混入させるオフガス混入系と、燃料電池の負荷
   量を検出する負荷検出器と、負荷減少時この検出器から
   の検出負荷により負荷減少量を演算し、負荷減少量に応
   じた時間前記弁を開に保持する制御部とを設けたことを
   特徴とする燃料電池用燃料改質器の触媒層温度制御装置
   。
3. 【請求項３】請求項２記載の触媒層温度制御装置におい
   て、制御部は、負荷検出器からの検出負荷により負荷減
   少速度を演算する負荷減少速度演算器と、この演算器か
   らの負荷減少速度が所定値を超えたとき一定の出力信号
   を出力する比較器と、負荷検出器からの検出負荷に基づ
   き、比較器から入力される出力信号により規定される負
   荷の減少開始から終了するまでの負荷減少量を演算する
   負荷減少量演算器と、この演算器からの負荷減少量に応
   じたオフガス混入系の弁の開時間を演算する開時間演算
   器と、前記比較器からの出力信号により前記弁を開にし
   、開時間演算器からの開時間信号により開時間後弁を閉
   にするオン・オフ回路とを備えたことを特徴とする燃料
   電池用燃料改質器の触媒層温度制御装置。